DE3940914C1 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall mit einem Schutz gegen Titanfeuer aus Keramikfasern und einem Matrixwerkstoff.The invention relates to a component made of metal with protection against Titan fire made of ceramic fibers and a matrix material.

Die Selbstentzündung von Titan bei Temperaturen über 500°C in oxidie­ render Atmosphäre gefährdet und beeinträchtigt die Einsatzmöglichkeit dieses Werkstoffs für höhere Betriebstemperaturen. Aus der DE-PS 39 06 187 ist eine kompakte Beschichtung titan­ feuergefährdeter Bauteile bekannt, die eine Eindämmung von Titan­ feuer bewirkt. Der Nachteil derartiger Beschichtungen ist die be­ grenzte Beschichtungsdicke, die bei hoher Titanfeuerbelastung von glühenden Titanschmelztropfen hoher kinetischer Energie durchschlagen wird und das Metallbauteil an diesen Stellen dem oxidierenden Angriff aussetzt. Andererseits haben diese Schichten aufgrund ihrer Kompakt­ heit ein hohes spezifisches Gewicht und eine geringe Wärmedämmung.The spontaneous combustion of titanium at temperatures above 500 ° C in oxidie render atmosphere endangers and impairs the application of this material for higher operating temperatures. From the DE-PS 39 06 187 is a compact titanium coating fire-risk components known to contain titanium causes fire. The disadvantage of such coatings is the be limited coating thickness, which at high titanium fire exposure of penetrate glowing titanium melting drops of high kinetic energy and the metal component at these points the oxidizing attack suspends. On the other hand, these layers have a compact structure high specific weight and low thermal insulation.

Aus der Druckschrift DE-AS 19 47 904 ist ein Faserverbundwerkstoff aus Aluminiumsilikatfasern mit Siliciumdioxidmatrix mit Aluminium oder Siliciumteilchen und vorzugsweise einem Füllstoff aus Koks oder Aluminiumdioxid und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. From the document DE-AS 19 47 904 is a fiber composite material made of aluminum silicate fibers with silicon dioxide matrix with aluminum or silicon particles and preferably a filler made of coke or Alumina and a process for its preparation are known.  

Dieser Faserverbundwerkstoff hat den Nachteil, daß die Fasern in ihrer Struktur durch die dort offenbarte Herstellung aus wäßrigem Schlamm ungeordnet und zufallsverteilt vorliegen. Unvermeidliche örtliche Anreicherungen oder Verarmungen von Fasern führen nachteilig zu Inhomogenitäten im Faserverbundwerkstoff und schwächen nachteilig dessen Schutzwirkung. Die aus Kieselsäure gewonnene Siliciumdioxidma­ trix hat darüber hinaus den Nachteil einer Hochtemperaturversprödung durch Christobalitbildung und ist für Dauerbelastungen im Heißgas­ strom beispielsweise eines Gasturbinentriebwerks ungeeignet.This fiber composite material has the disadvantage that the fibers in their structure by the production from aqueous disclosed there Sludge disordered and randomly distributed. Inevitable Local enrichment or depletion of fibers leads to a disadvantage to inhomogeneities in the fiber composite material and disadvantageously weaken its protective effect. The silica ma obtained from silica trix also has the disadvantage of high-temperature embrittlement through christobalite formation and is for permanent loads in hot gas Electricity, for example, of a gas turbine engine is unsuitable.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, damit Titanfeuer, das glü­ hende Titanschmelztropfen hoher kinetischer Energie aufweist, wirk­ sam eingedämmt werden kann, und die Bauteiloberflächen vor Hitze und vor Titanschmelzangriff geschützt sind.The object of the invention is a generic component and a Specify process for its preparation so that titanium fire, the glü Titanium melting droplets has high kinetic energy, effective can be contained, and the component surfaces from heat and are protected against titanium melt attack.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Keramikfasern als Gelege oder Gewebe angeordnet sind und aus SiO2, Al2O3, ZrO2 oder aus Mischungen davon bestehen und der Matrixwerkstoff Silikate mit einge­ lagertem Aluminiumpulver aufweist.This object is achieved in that the ceramic fibers are arranged as scrims or fabrics and consist of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 or mixtures thereof and the matrix material has silicates with embedded aluminum powder.

Der Vorteil dieses Bauteils ist, daß die kinetische Energie der Ti­ tanschmelztropfen durch die Faser-Matrix-Struktur der Schutzschicht aufgenommen und die Wärmeenergie der Titanschmelze durch Anschmelzen des in der Matrix des Schutzes eingelagerten Aluminumpulvers ver­ braucht wird. Ferner wird ein Überhitzen der zu schützenden Ober­ fläche des Bauteils durch die hohen Wärmedämmeigenschaften der Kera­ mikfasern in einer Silikatmatrix vermieden. Da der Schutz gegen Titanfeuer Keramikfasern als Gelege oder Gewebe aufweist, wird vor­ teilhaft ein gleichmäßig verteiltes Fasernetz verwirklicht, das keine Faserinhomogenitäten und gegenüber bisher bekannten Faseranordnungen eine höhere Erosionsbeständigkeit zeigt.The advantage of this component is that the kinetic energy of the Ti drops of melt through the fiber-matrix structure of the protective layer recorded and the thermal energy of the titanium melt by melting of the aluminum powder stored in the matrix of protection is needed. Furthermore, overheating of the upper to be protected surface of the component due to the high thermal insulation properties of the Kera Microfibers avoided in a silicate matrix. Because protection against Titan fire has ceramic fibers as a scrim or fabric, before partially realized an evenly distributed fiber network that none Fiber inhomogeneities and compared to previously known fiber arrangements shows a higher erosion resistance.

Wird vorzugsweise zur Bildung der Matrix ein anorganischer Hochtempe­ raturlack eingesetzt, so hat das den Vorteil, daß derartige Hochtem­ peraturlacke gleichzeitig eine klebende Haftung der Schutzmatte auf dem zu schützenden Metallbauteil bewirken, so daß eine partielle Be­ festigung der Keramikfasern am zu schützenden Bauteil durch bei­ spielsweise Aufsintern oder Einlöten oder Eingießen entfällt.Is preferably an inorganic high temperature to form the matrix  raturlack used, it has the advantage that such high-tem thermal varnishes at the same time an adhesive adhesion of the protective mat cause the metal component to be protected, so that a partial loading consolidation of the ceramic fibers on the component to be protected by for example sintering or soldering or pouring is not necessary.

Die erfindungsgemäßen Bauteile werden vorzugsweise im Gasturbinen­ bau für Flugtriebwerke eingesetzt, so daß eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung eine Dichte der Schutzmatte zwischen 0,8 bis 2,0 g/cm3 vorsieht. Diese niedrige Dichte hat den Vorteil, daß ohne Gewichtszu­ nahme ein relativ dicker Schutz im Vergleich zu kompakten Schutz­ schichten einsetzbar wird, so daß die kinetische Energie von Titan­ schmelztröpfchen durch den Schutz aufgenommen werden kann.The components of the invention are preferably used in gas turbine construction for aircraft engines, so that a preferred embodiment of the invention provides a density of the protective mat between 0.8 to 2.0 g / cm 3 . This low density has the advantage that a relatively thick protection compared to compact protective layers can be used without weight gain, so that the kinetic energy of titanium melt droplets can be absorbed by the protection.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung weist einen Schutz mit einer Dicke zwischen 0,5 und 20 mm vorzugsweise 1 bis 10 mm auf, wobei der bevorzugte Bereich den größten Teil der Schutzmatte abdeckt, während der erweiterte Bereich vorteilhaft auch extrem dünne und relativ dicke Schutzschichten zuläßt, wobei der dünne Bereich von 0,5 bis 1 mm in Konkurrenz zu kompakten Schutzschichten tritt mit dem Vorteil der Durchdringung dieser Schichten mit wärmeisolierenden Keramikfa­ sern. Der dicke Bereich von 10 bis 20 mm weist auf Ausbildungsmög­ lichkeiten des Titanfeuerschutzes hin, die bisher nicht realisiert werden konnten.Another embodiment of the invention has protection with a Thickness between 0.5 and 20 mm, preferably 1 to 10 mm, the preferred area while covering most of the protective mat the extended range also advantageous extremely thin and relative allows thick protective layers, the thin range from 0.5 to 1 mm in competition with compact protective layers comes with the advantage the penetration of these layers with heat-insulating ceramic fa ser. The thick range from 10 to 20 mm indicates training opportunities capabilities of titanium fire protection that have not yet been realized could become.

Durch Versiegeln der Oberfläche der Schutzschicht wird vorteilhaft ein porenfreier, gasdichter Abschluß für das Bauteil mit Schutz gegen Titanfeuer erreicht, so daß eine Aufblähung und Durchströmung des Gewebes von einem oxidierenden Gasstrom verhindert wird.Sealing the surface of the protective layer is advantageous a non-porous, gas-tight seal for the component with protection achieved against titanium fire, so that an inflation and flow of the tissue is prevented by an oxidizing gas flow.

Das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Schutz gegen Titan­ feuer hat folgende Verfahrensschritte:The process for producing a component with protection against titanium fire has the following process steps:

  • a) Trocknen und Glühen der Keramikfasern eines Keramikfaserwerk­ stoffs in Form von Gelegen oder Gewebe,a) Drying and annealing the ceramic fibers of a ceramic fiber plant  fabric in the form of scrims or fabrics,
  • b) Infiltrieren des Keramikfaserwerkstoffes mit Silikaten,b) infiltrating the ceramic fiber material with silicates,
  • c) Aufbringen von anorganischem Hochtemperaturlack aus Silikat­ binder und Aluminiumpulver als Aluminiumfüllstoff auf die Bauteiloberfläche und auf die Keramikfasern,c) Application of inorganic high-temperature varnish made of silicate binder and aluminum powder as aluminum filler on the Component surface and on the ceramic fibers,
  • d) Trocknen und Einbrennen des Hochtemperaturlacks,d) drying and baking the high-temperature paint,
  • e) Versiegeln der Oberfläche der Schutzschicht mittels Silikaten.e) sealing the surface of the protective layer using silicates.

Der Vorteil des Verfahrens ist, daß es mit handelsüblichen Mitteln preiswert einen wirksamen Schutz gegen Titanfeuer liefert, der gleichzeitig die thermische Belastung des Bauteils aufgrund der Wärmeisolation der Keramikfasern und der Silikate absenkt.The advantage of the method is that it can be used with commercially available means provides cost effective protection against titanium fire that at the same time the thermal load on the component due to Thermal insulation of the ceramic fibers and the silicates is lowered.

Durch Trocknen und Glühen der Keramikfasern eines Keramikwerkstoffs in Form von Gelege oder Geweben wird das Fasermaterial gereinigt, so daß bei der nachfolgenden Infiltration des Keramikfaserwerkstoffs mit Silikaten, diese die Faseroberflächen vollständig benetzen. Als Silikate können vorzugsweise Alkyl-, Natrium-, Kalium-, Aluminium-, Zinksilikate oder Mischungen aus mehreren dieser Silikate eingesetzt werden.By drying and annealing the ceramic fibers of a ceramic material the fiber material is cleaned in the form of scrims or fabrics, so that in the subsequent infiltration of the ceramic fiber material with silicates, these completely wet the fiber surfaces. As Silicates can preferably be alkyl, sodium, potassium, aluminum, Zinc silicates or mixtures of several of these silicates are used will.

Das Aufbringen von anorganischem Hochtemperaturlack mit Aluminium­ füllstoff auf die Bauteiloberfläche dient der verbesserten Haftung der Schutzschicht auf dem Bauteil. Nach Auflegen des infiltrierten Faserwerkstoffs auf die lackierte Bauteiloberfläche wird die Ober­ fläche des Faserwerkstoffs mit anorgaischem Hochtemperaturlack be­ strichen, gespritzt oder besprüht, so daß im anschließenden Trocknungs- und Einbrennschritt eine Schutzschicht auf dem Bauteil gebildet wird, die aus Keramikfasern aus SiO2, Al2O3, ZrO2 oder Mischungen davon besteht und deren Matrixwerkstoff Silikate mit eingelagertem Aluminiumpulver aufweist.The application of inorganic high-temperature paint with aluminum filler to the component surface serves to improve the adhesion of the protective layer on the component. After placing the infiltrated fiber material on the painted component surface, the upper surface of the fiber material is coated with inorganic high-temperature paint, sprayed or sprayed, so that a protective layer is formed on the component in the subsequent drying and baking step, which is made of ceramic fibers made of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 or mixtures thereof and the matrix material of which contains silicates with embedded aluminum powder.

Die häufig porige, wellige und unebene Oberfläche der Schutzschicht wird anschließend mit Silikaten derart versiegelt, daß sie gasdicht und glatt wird.The often porous, wavy and uneven surface of the protective layer is then sealed with silicates so that they are gastight and becomes smooth.

Zur Herstellung dicker Wandstärken der Schutzschicht kann auf die un­ versiegelte Oberfläche erneut oder auch mehrfach Faserwerkstoff und anorganischer Hochtemperaturlack aufgebracht werden, so daß Schutz­ schichten bis zu einer Dicke von 20 mm herstellbar werden.To produce thicker walls of the protective layer, the un sealed surface again or multiple fiber material and inorganic high temperature paint can be applied, so that protection layers up to a thickness of 20 mm can be produced.

Die nachfolgende Fig. 1 und ein Ausführungsbeispiel mit Herstel­ lungsverfahren sollen die Erfindung erläutern.The following Fig. 1 and an embodiment with manufacturing process to explain the invention.

Fig. 1 zeigt den Aufbau des Bauteils aus Metall mit einem Schutz gegen Titanfeuer. Fig. 1 shows the structure of the component made of metal with protection against titanium fire.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Bauteils 1 aus Metall, beispielsweise Titan, mit einer Schutzschicht 4, die fest auf der Oberfläche 5 des Bauteils haftet. Diese Haftung wird von einem anorganischen Hoch­ temperaturlack bewirkt, der mit Silikaten als Binder und Aluminium­ pulver als Füllstoff den Matrixwerkstoff 2 der Schutzschicht 4 gegen Titanfeuer bildet. Dieser Matrixwerkstoff 2 wird von Keramikfasern 3 aus SiO2/Al2O3 in beispielsweise 3 Lagen durchzogen, wobei in Fig. 1 eine längsgeschnittene Faser 3 und mehrere quergeschnittene Fasern 3 der drei Lagen dargestellt werden. Die durch Silikate versiegelte Oberfläche 6 schützt die Schutzmatte vor dem Durchströmen oxidieren­ der Heißgase, die in Pfeilrichtung 7 auf die Oberfläche 6 der Schutz­ matte 4 treffen. Fig. 1 shows the structure of a component 1 of metal, for example titanium, with a protective layer 4, which adheres firmly to the surface 5 of the component. This adhesion is caused by an inorganic high-temperature varnish, which forms the matrix material 2 of the protective layer 4 against titanium fire with silicates as a binder and aluminum powder as a filler. This matrix material 2 is traversed by ceramic fibers 3 of SiO 2 / Al 2 O 3 in example 3 layers, wherein a longitudinal sectional fiber 3 and a plurality of cross-sectional fibers are shown 3 of the three layers in FIG. 1. The surface 6 sealed by silicates protects the protective mat from flowing through, oxidizing the hot gases which meet in the direction of arrow 7 on the surface 6 of the protective mat 4 .

Das in Fig. 1 dargestellte Bauteil aus Metall mit Schutz gegen Titanfeuer wurde hergestellt, indem zunächst die Oberfläche des Bau­ teils gereinigt wurde und ein Silikatbinder auf die Oberfläche auf­ gebracht wurde. Nach Trocknung des Silkatbinders wurde ein anor­ ganischer Hochtemperaturlack mit Aluminiumpulver als Füllstoff aufge­ tragen. Die 3 Lagen Faserwerkstoff aus SiO2/Al2O3 wurden zunächst getrocknet und geglüht, so daß die Oberflächen der Fasern vollständig von Verunreinigungen befreit wurden.The component shown in Fig. 1 made of metal with protection against titanium fire was made by first cleaning the surface of the construction part and a silicate binder was brought onto the surface. After the silicate binder had dried, an inorganic high-temperature lacquer with aluminum powder as the filler was applied. The 3 layers of fiber material made of SiO 2 / Al 2 O 3 were first dried and annealed so that the surfaces of the fibers were completely freed of impurities.

Diese drei Faserlagen wurden dann in Silikat getränkt, getrocknet und auf die Bauteiloberfläche in den klebrigen Hochtemperaturlack gelegt und mit Hochtemperaturlack besprüht, der als Füllstoff Aluminium­ pulver enthält. Danach wurde der Lack getrocknet und zu einer 1 mm dicken Schutzschicht auf dem Bauteil eingebrannt.These three fiber layers were then soaked in silicate, dried and placed on the component surface in the sticky high-temperature paint and sprayed with high temperature varnish, the filler aluminum contains powder. The varnish was then dried and turned into a 1 mm thick protective layer burned onto the component.

Zum Abschluß wurde auf die Oberfläche der Schutzschicht ein Silikat gesprüht und mit dem Einbrennen des Silikats die Oberfläche des Schutzes gegen Titanfeuer gasdicht versiegelt. Das spezifische Ge­ wicht des Schutzes beträgt bei diesem Beispiel 1,5 g/cm3.Finally, a silicate was sprayed onto the surface of the protective layer and the surface of the protection against titanium fire was sealed in a gas-tight manner when the silicate was baked on. The specific weight of protection in this example is 1.5 g / cm 3 .

Claims (7)

1. Bauteil aus Metall mit einem Schutz gegen Titanfeuer aus Keramik­ fasern und einem Matrixwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfasern als Gelege oder Gewebe angeordnet sind und aus SiO2, Al2O3, ZrO2 oder Mischungen davon bestehen und der Matrix­ werkstoff Silikate mit eingelagertem Aluminiumpulver aufweist.1. Component made of metal with a protection against titanium fire from ceramic fibers and a matrix material, characterized in that the ceramic fibers are arranged as a scrim or fabric and consist of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 or mixtures thereof and the matrix material silicates with embedded aluminum powder. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrix­ werkstoff ein anorganischer Hochtemperaturlack ist.2. Component according to claim 1, characterized in that the matrix material is an inorganic high-temperature paint. 3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz eine Dichte zwischen 0,8 bis 2,0 g/cm3 aufweist.3. Component according to claim 1 or 2, characterized in that the protection has a density between 0.8 to 2.0 g / cm 3 . 4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz eine Dicke zwischen 0,5 und 20 mm vorzugsweise 1 bis 10 mm aufweist.4. Component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the protection has a thickness between 0.5 and 20 mm, preferably 1 up to 10 mm. 5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Schutzes gasdicht versiegelt ist.5. Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the protection is sealed gas-tight. 6. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Schutz gegen Titan­ feuer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das durch folgende Ver­ fahrensschritte gekennzeichnet ist:
  • a) Trocknen und Glühen der Keramikfasern eines Keramikfaserwerk­ stoffs in Form von Gelegen oder Gewebe,
  • b) Infiltrieren des Keramikwerkstoffs mit Silikaten,
  • c) Aufbringen von anorganischem Hochtemperaturlack aus Silikat­ binder und Aluminiumpulver als Aluminiumfüllstoff auf die Bau­ teiloberfläche und auf die Keramikfasern,
  • d) Trocknen und Einbrennen des Hochtemperaturlackes,
  • e) Versiegeln der Oberfläche der Schutzschicht mittels Silikaten.
6. A method for producing a component with protection against titanium fire according to one of claims 1 to 5, which is characterized by the following steps:
  • a) drying and annealing the ceramic fibers of a ceramic fiber material in the form of scrims or fabrics,
  • b) infiltrating the ceramic material with silicates,
  • c) applying inorganic high-temperature paint from silicate binder and aluminum powder as aluminum filler to the component surface and to the ceramic fibers,
  • d) drying and baking the high-temperature paint,
  • e) sealing the surface of the protective layer using silicates.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mehrfach hintereinander Hochtemperaturlack und mit Silikat in­ filtrierter Keramikfaserwerkstoff auf das Bauteil aus Metall aufge­ bracht und eingebrannt werden und anschließend die Oberfläche der Schutzschcht versiegelt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that first high temperature lacquer and with silicate in several times Filtered ceramic fiber material applied to the metal component brought and baked and then the surface of the Protective bad is sealed.
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